生物化学课件第13章的合成

1、L o g oL o g o2012.11.26第三篇第三篇 基因信息的传递基因信息的传递Genetic Information Transfer彭彭 翼翼 飞飞Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering第三篇第三篇 基因信息的传递基因信息的传递v第十章第十章 DNA的生物合成的生物合成v第十一章第十一章 RNA的生物合成的生物合成v第十二章第十二章 蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成v第十三章第十三章 基因表达调控基因表达调控v第十四章第十四章 基因重组与基因工程基因重组与基因工程Institute of G

2、enetic Engineering基因的定义基因的定义基因基因 (gene) (gene) 合成有功能的蛋白质多肽链或合成有功能的蛋白质多肽链或RNARNA所必需的所必需的全部核苷酸序列。全部核苷酸序列。一般是一般是DNADNA序列（或序列（或RNARNA病毒中的病毒中的RNARNA）。）。Institute of Genetic Engineeringv“在分子遗传学文献中，顺反子（在分子遗传学文献中，顺反子（cistron)和和基因这两个术语是相互通用的，一般来说，一基因这两个术语是相互通用的，一般来说，一个顺反子即一个基因。个顺反子即一个基因。”Institute of Genetic

3、 Engineering一个典型的真核基因一个典型的真核基因编码序列：外显子编码序列：外显子(exon)插入外显子之间的非编码序列：内合子插入外显子之间的非编码序列：内合子(intron)5-端和端和3-端非翻译区端非翻译区(UTR) 调控序列调控序列(可位于上述三种序列中可位于上述三种序列中)Institute of Genetic Engineering基因组基因组(genome)v是指一种生物体中的整套遗传信息，一般为一个是指一种生物体中的整套遗传信息，一般为一个受精卵或一个体细胞的细胞核中所有受精卵或一个体细胞的细胞核中所有DNADNA分子的总分子的总和。和。v特定生物体的整套特定生物

4、体的整套( (单倍体单倍体) )遗传物质的总和。遗传物质的总和。v基因组的大小用全部基因组的大小用全部DNADNA的碱基对总数表示。的碱基对总数表示。v人的基因组的大小：人的基因组的大小： 3 3109bp109bpInstitute of Genetic Engineering人类基因组特点人类基因组特点20000 25000 蛋白蛋白编码编码基因及大量非基因及大量非编码编码的的RNA基基因，基因的分布不均匀因，基因的分布不均匀 重复序列重复序列 40% ，主要，主要为为逆逆转转座子如座子如 Alu 序列和序列和 LINE 1(L1)蛋白蛋白编码编码区及非区及非编码编码区均存在大量高度保守序

5、列区均存在大量高度保守序列存在存在许许多多segmental duplications存在几百万个存在几百万个单单核苷酸多核苷酸多态态性（性（SNPs)位点，已位点，已发现发现 300万万 500万个万个 SNPsInstitute of Genetic Engineering第十三章第十三章 DNA的生物合成的生物合成1. DNA复制的基本规律复制的基本规律2. DNA复制的酶学复制的酶学3. DNA复制的一般过程复制的一般过程4. 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式5. DNA损伤与修复损伤与修复Institute of Genetic Engineering是指遗传物质的传代，以母

6、链是指遗传物质的传代，以母链DNADNA为模板合成子链为模板合成子链DNADNA的过程。的过程。复制复制亲代亲代DNA子代子代DNADNA复制复制(DNA replication)Institute of Genetic Engineering1 DNA复制的基本规律复制的基本规律1.1. 半保留复制是半保留复制是DNADNA复制的基本特征复制的基本特征2.2. 双向复制双向复制3.3. 复制具有半不连续性复制具有半不连续性4.4. DNADNA合成起始时需要引物合成起始时需要引物5.5. 复制具有高保真性复制具有高保真性Institute of Genetic Engineering1.1

7、半保留复制半保留复制Watson and Crick: It has not escaped our notice that the specific (base) pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.”“我们提出的特定配对方式，让人马上联想到我们提出的特定配对方式，让人马上联想到遗传物质可能采用的复制机制，这一点我们遗传物质可能采用的复制机制，这一点我们并没有忽略并没有忽略”The Replication of DNA in

8、Escherichia coli . Matthew Meselson & Franklin Stahl Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1958 , 44: 671-682平衡密度梯度离心平衡密度梯度离心15 generations15 generations14000g 14000g 20h 20h DNA with 14N DNA with 14N 1.708g/cm31.708g/cm3DNA with 15N DNA with 15N 1.722g/cm3. 1.722g/cm3. a s

9、olution of 6.6 a solution of 6.6 molar CsCl : molar CsCl : 1.700 g/cm3.1.700 g/cm3.Matthew Meselson & Franklin Stahl The Replication of DNA in Escherichia coli . Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1958 , 44: 671-682Institute of Genetic Engineering DNA生物合成时，母链生物合成时，母链DNA解

10、开为两股单链，各自解开为两股单链，各自作为模板作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都都和亲代和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。制。半保留复制的概念半保留复制的概念Institute of Genetic Engineering1.2 1.2 双向复制双向复制原核生物复制时，原核生物复制时，DNA从起始

11、点从起始点(origin)向两个向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。为双向复制。 证明双向复制的同位素标记试验证明双向复制的同位素标记试验Institute of Genetic Engineering证明双向复制的同位素标记试验证明双向复制的同位素标记试验Institute of Genetic Engineering复制子复制子(replicon)：从一个复制起始：从一个复制起始点开始的点开始的DNA复制区域。复制区域。真核染色体真核染色体DNA复制时有多个复制起始点，形成多个复制子复制时有多个复制起始点，形成多个复制子In

12、stitute of Genetic Engineering(领头链）领头链）leading strand - continuous （滞后链）（滞后链）lagging strand. . . discontinuous 1.3 半不连续复制半不连续复制Institute of Genetic Engineering顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。这股链称为领头链。另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称顺着解链方向连续延长，这股不连续复制

13、的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。的半不连续性。 Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringDNA新链的合成从新链的合成从 5 to 3Institute of Genetic Engineering引物（引物（Primer）：一段与模板链互补的短的核酸序列）：一段与模板链互补的短的核酸序列,通常通常是是RNA ，其作用在

14、于提供一个自由的，其作用在于提供一个自由的 3 -OH 与新掺入的脱与新掺入的脱氧核苷三磷酸的氧核苷三磷酸的5磷酸基团反应生成新的磷酸二酯键。磷酸基团反应生成新的磷酸二酯键。 1.4 DNA复制起始时需要引物复制起始时需要引物Nucleotides are added at the 3-end of the strand噬菌体噬菌体T4T4噬菌体噬菌体T7T7大肠杆菌大肠杆菌酵母酵母淋巴母细胞淋巴母细胞果蝇果蝇Institute of Genetic Engineering1.5 复制具有高保真性复制具有高保真性复制高保真性的原因：复制高保真性的原因：遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对

15、规律；复制出错时有即时的校读功能；复制出错时有即时的校读功能；DNADNA损伤修复机制；损伤修复机制；复制终止时复制终止时RNARNA引物的切除及填补。引物的切除及填补。Erroneous rate: 10-8 to 10-10 per base pair per round of replicationInstitute of Genetic Engineering2 DNA2 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化 DNA DNA复制需要多种物质：复制需要多种物质：底物：底物：dNTP (dATP, dGTP, dCTP, dTTP)dNTP (dATP, dGTP, dCTP

16、, dTTP)模板模板(template): (template): 解开成单链的解开成单链的DNADNA母链母链引物引物(primer): (primer): 提供提供3-OH3-OH依赖依赖DNADNA的的DNADNA聚合酶聚合酶(DNA dependent DNA (DNA dependent DNA polymerase, polymerase, 简写为简写为DNA-pol DNA-pol 或或 DDDP) DDDP)其他酶和蛋白质因子其他酶和蛋白质因子Institute of Genetic Engineering2.1 2.1 核苷酸与核苷酸之间生核苷酸与核苷酸之间生成磷酸二酯键是

17、复制的基本成磷酸二酯键是复制的基本化学反应化学反应Institute of Genetic Engineering2.2 DNA2.2 DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合聚合酶催化核苷酸之间聚合DNA聚合酶的一般特征：聚合酶的一般特征：需要引物需要引物 需要模板需要模板以四种以四种 dNTP为底物为底物5到到3聚合活性（合成的新链与模板聚合活性（合成的新链与模板链反向互补链反向互补 ）Institute of Genetic Engineering2.2.1 DNA 2.2.1 DNA 聚合酶聚合酶(DNA pol)(DNA pol)v19581958年由年由Arthur KornbergArth

18、ur Kornberg首先发现的首先发现的DNADNA聚合酶，聚合酶，又称又称KornbergKornberg酶。酶。5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | |3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3 5外切酶活性外切酶活性 5 3外切酶活性外切酶活性?能切除突变的能切除突变的 DNA片段。片段。辨认错配的碱基对，并将其水解。该活性为即时辨认错配的碱基对，并将其水解。该活性为即时校读（校读（proofreading)proofreading)功能所必需功能所必需 DNA-pol DNA-pol还具有核酸外

19、切酶活性还具有核酸外切酶活性 DNA-pol的主要的主要功能：功能： 去除引物，填补引去除引物，填补引物消除后的空隙；物消除后的空隙； 对复制中的错误进对复制中的错误进行校读，填补修复行校读，填补修复中出现的空隙。中出现的空隙。DNA聚合酶聚合酶I的应用：的应用：缺口平移（缺口平移（ nick translation ）标记探针）标记探针 蛋白酶处理后蛋白酶处理后,DNA-pol分裂成两个片段，分裂成两个片段，大片段通常称为大片段通常称为Klenow片段，也具有片段，也具有DNA聚合酶聚合酶活性和活性和3 5外切活性外切活性,是实验室常用的工具酶是实验室常用的工具酶Institute of G

20、enetic Engineering2.2.2 DNA2.2.2 DNA聚合酶聚合酶v19701970年发现年发现v活性只有活性只有DNA-polDNA-pol的的5%5%v此酶缺陷的大肠杆菌突变株的此酶缺陷的大肠杆菌突变株的DNADNA复制都正常。复制都正常。可能在可能在DNADNA的损伤修复中该酶起到一定的作的损伤修复中该酶起到一定的作用。用。Institute of Genetic Engineering2.2.3 DNA2.2.3 DNA聚合酶聚合酶IIIIII全酶全酶（ polymerase III holoenzyme polymerase III holoenzyme ）Inst

21、itute of Genetic Engineering2.2.3 DNA聚合酶聚合酶III全酶全酶Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering 1959 Nobel Prize winner in physiology or medicine. (jointly with Severo Ochoa)for their discovery of the mechanisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic

22、acid. Arthur KornbergArthur Kornberg1918 1918 2007 2007v “在老孔伯格获奖十年之后，人们才知道，他所发现的在老孔伯格获奖十年之后，人们才知道，他所发现的DNA聚合酶并非细菌真正用于复制聚合酶并非细菌真正用于复制DNA的酶，在细胞内执行这个的酶，在细胞内执行这个任务的是另一种新发现的酶任务的是另一种新发现的酶DNA聚合酶聚合酶III。老孔伯格。老孔伯格的酶（被命名为的酶（被命名为DNA聚合酶聚合酶I）只是在）只是在DNA复制中起修补作复制中起修补作用（不过，这种酶后来在分子生物学研究和遗传工程中发挥用（不过，这种酶后来在分子生物学研究和遗传

23、工程中发挥了巨大的作用）。值得老孔伯格欣慰的是，新的酶是他的二了巨大的作用）。值得老孔伯格欣慰的是，新的酶是他的二儿子托马斯儿子托马斯孔伯格在哥伦比亚大学读书时发现的。托马斯现孔伯格在哥伦比亚大学读书时发现的。托马斯现在是加州大学旧金山分校的生物化学教授。在是加州大学旧金山分校的生物化学教授。 ”（方舟子博客：（方舟子博客：上阵父子兵）上阵父子兵）v 这一家人共发现了这一家人共发现了30多种酶。多种酶。 老孔伯格老孔伯格1975年写了一本年写了一本书书 “For the love of enzymes” （酶的情人）（酶的情人）他的大儿子：他的大儿子：Roger Kornberg won 20

24、06 Nobel Roger Kornberg won 2006 Nobel Prize in Chemistry for his work in genetic Prize in Chemistry for his work in genetic research.research.Institute of Genetic Engineering2.2.4 2.2.4 真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶聚合酶 统一采用希腊字母命名统一采用希腊字母命名DNA-pol DNA-pol ：合成引物：合成引物DNA-pol DNA-pol ：线粒体内：线粒体内DNA-pol DNA-pol ：负

25、责后续链的合成：负责后续链的合成DNA-pol DNA-pol ：修复核内：修复核内DNADNADNA-pol DNA-pol ：负责前导链的合成：负责前导链的合成Institute of Genetic EngineeringThumbFingersPalmDNA polymerase has a DNA-binding cleft（裂缝）（裂缝）created by three subdomains. Institute of Genetic Engineering解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成2.3 2.3 复制中的解链伴有复制中的解链伴有DNADNA分子拓扑学变化分子

26、拓扑学变化Institute of Genetic EngineeringDNADNA拓扑异构酶拓扑异构酶类型类型 底物底物例例 子子I AI A型型单链单链DNADNA大肠杆菌拓扑酶大肠杆菌拓扑酶I I和和IIIIII， 酵酵母和人类拓扑酶母和人类拓扑酶IIIIII，古细菌，古细菌反向促旋酶反向促旋酶I BI B型型单链单链DNADNA真核生物拓扑酶真核生物拓扑酶 I IIIII型型双链双链DNADNA大肠杆菌拓扑酶大肠杆菌拓扑酶IIII（DNADNA促旋促旋酶）和酶）和IVIV；真核生物拓扑酶；真核生物拓扑酶 IVIVInstitute of Genetic EngineeringvI型拓

27、扑异构酶（型拓扑异构酶（Type I topoisomerase ） 切断切断DNA单链后再重新连接，不需单链后再重新连接，不需ATP。vII型拓扑异构酶（型拓扑异构酶（Type II topoisomerase ）切断）切断DNA双链后再重新连接，需双链后再重新连接，需ATP DNA拓扑异构酶拓扑异构酶Institute of Genetic Engineering2.4 2.4 解螺旋酶解开解螺旋酶解开DNADNA双链使成单链双链使成单链v解螺旋酶解螺旋酶(Helicase(Helicase）即）即DnaB DnaB ，又称，又称reprep蛋白蛋白v与复制相关的基因定名为与复制相关的基因

28、定名为dnaA, dnaB, dnaA, dnaB, dnaCdnaXdnaCdnaX。相应的蛋白质命名为。相应的蛋白质命名为DnaA, DnaA, DnaB, DnaXDnaB, DnaX等。等。Institute of Genetic Engineering2.5 2.5 单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白( Single-strand DNA-binding protein( Single-strand DNA-binding protein， SSB) SSB)Institute of Genetic Engineering2.6 2.6 引物合成酶引物合成酶 (Primase) (

29、Primase)v 由大肠杆菌的由大肠杆菌的dnaGdnaG基因编码的引物酶基因编码的引物酶(primase)(primase)催化引物催化引物RNARNA分子的合成。分子的合成。Institute of Genetic Engineering2.7 DNA2.7 DNA连接酶连接连接酶连接DNADNA双链中的单链缺口双链中的单链缺口连接酶的特点：连接酶的特点：要求一条要求一条DNA链有链有3自自由羟基而另一条链的由羟基而另一条链的5端有磷酸基团；端有磷酸基团；只能连接双链只能连接双链DNA或或DNA-RNA杂交双链中杂交双链中的单链缺口，但不适的单链缺口，但不适于双链于双链RNA链中的单链中

30、的单链缺口，也不适于单链缺口，也不适于单链链DNA或或RNA间的连间的连接。接。名称名称 功能功能DNADNA聚合酶聚合酶 聚合脱氧核聚合脱氧核苷酸苷酸拓扑异构酶拓扑异构酶 理顺理顺DNADNA链链解螺旋酶解螺旋酶(DnaB(DnaB蛋白，蛋白，reprep蛋白蛋白) ) 解开解开DNADNA双链双链引物酶引物酶(DnaG(DnaG蛋白蛋白) ) 催化催化RNARNA引物引物生成生成单链单链DNADNA结合蛋白（结合蛋白（SSBSSB） 稳定解开的稳定解开的单链单链DNADNA连接酶连接酶 连接冈崎片连接冈崎片段段参与复制的各种酶和蛋白质参与复制的各种酶和蛋白质Institute of Gen

31、etic Engineering3 DNA3 DNA生物合成过程生物合成过程三个阶段三个阶段: 起始起始 (Initiation ）延伸（延伸（ Elongation ）终止（终止（ Termination ）Institute of Genetic Engineering参与复制起始的各种蛋白质参与复制起始的各种蛋白质名称名称 功能功能DnaA蛋白蛋白 辨认起辨认起始点始点解螺旋酶解螺旋酶(DnaB蛋白，蛋白，rep蛋白蛋白) 解开解开DNA双链双链DnaC蛋白蛋白 协助解协助解螺旋酶螺旋酶引物酶引物酶(DnaG蛋白蛋白) 催化催化RNA引物生成引物生成单链单链DNA结合蛋白（结合蛋白（SS

32、B） 稳定解开稳定解开的单链的单链拓扑异构酶拓扑异构酶 理顺理顺DNA链链Institute of Genetic Engineering1. DNA复制起点双链解开；复制起点双链解开；2. 引发体引发体(primosome)的生成；的生成；3. RNA引物的生成；引物的生成；4. DNA聚合酶将第一个脱氧核苷酸加到聚合酶将第一个脱氧核苷酸加到引物引物RNA的的3-OH末端。末端。3.1 起始阶段起始阶段E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44

33、 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列53535335反向重复序列反向重复序列（reverted repeat sequence) reverted repeat sequence) Institute of Genetic Engineering反向重复序列反向重复序列可自身互补，可自身互补，形成茎环结构形成茎环结构大肠杆菌复制起始模型大肠杆菌复制起始模型Institute of Ge

34、netic Engineering Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3535引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。 3.3 3.3 终止终止(Termination)(Termination)：切除引物、填补切除引物、填补空缺和连接缺口空缺和连接缺口32ter82oriCInstitute of Genetic Engineering3H-thymidine 大肠杆菌的大肠杆菌的型复制型复制冈崎片段的连接冈崎片段的连接(Jo

35、ining of Okazaki fragments)Institute of Genetic Engineering5533复制起始点复制起始点3535535 3同一个复制子内以及同一个复制子内以及相邻复制子中的子代相邻复制子中的子代DNA片段连接起来片段连接起来5353复制起始点复制起始点53535 3535353复制起始点复制起始点复制起始点复制起始点同一个复制子内及相邻同一个复制子内及相邻复制子中的子代复制子中的子代DNA片片段连接起来段连接起来Institute of Genetic Engineering哺乳动物的哺乳动物的细胞周期细胞周期DNA合成期合成期G1G2SM3.4.3.

36、4.真核生物的真核生物的DNADNA生物合成生物合成 细胞能否分裂，决定于进入细胞能否分裂，决定于进入S期及期及M期这两个关键点。期这两个关键点。G1S及及G2M的调节，与蛋白激酶活性有关。的调节，与蛋白激酶活性有关。 蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。控作用。 Institute of Genetic Engineeringv起始、延伸和终止三个阶段起始、延伸和终止三个阶段v多个复制子，复制起始点富含多个复制子，复制起始点富含AT碱基碱基v复制中多种蛋白的作用类似原核复制中多种蛋白的作用类似原核DNA复制所需蛋白，但复制所

37、需蛋白，但机制更为复杂机制更为复杂v复制过程涉及核小体的解体和重新生成，后续链中冈崎片复制过程涉及核小体的解体和重新生成，后续链中冈崎片段的长度就是一个核小体所含的段的长度就是一个核小体所含的DNA片段长度片段长度 真核生物真核生物DNADNA复制概况复制概况Institute of Genetic Engineering真核生物真核生物DNA复制所需多种蛋白的功能与原核类似复制所需多种蛋白的功能与原核类似 Pol （或（或Pol ） 填补冈崎片段之间的空隙填补冈崎片段之间的空隙 DNA连接酶连接酶 封闭缺口封闭缺口 RPA 稳定解旋后的单链稳定解旋后的单链DNA 解旋酶解旋酶 复制叉的形成和

38、移动必不可少复制叉的形成和移动必不可少拓扑异构酶拓扑异构酶 释放复制叉前进时产生的扭曲应力释放复制叉前进时产生的扭曲应力真核生物复制过程中的酶及功能真核生物复制过程中的酶及功能Institute of Genetic Engineering线性线性DNA分子如何避免每复制一次分子如何避免每复制一次末端就缩短一次？末端就缩短一次？Institute of Genetic Engineering末端末端DNADNA如何复制如何复制? ?1.1. 将线状将线状DNADNA复制子转变为环状或多聚体线性分子。复制子转变为环状或多聚体线性分子。e.g. T4 phage e.g. T4 phage 2.2

39、. 末端产生发夹结构末端产生发夹结构3.3. 每条每条DNADNA链的链的55末端都共价结合着一个末端蛋白。末端都共价结合着一个末端蛋白。 e.g. adenovirus DNAe.g. adenovirus DNA4.4. 端粒酶负责染色体末端复制，染色体的末端长度端粒酶负责染色体末端复制，染色体的末端长度在适当范围内可变在适当范围内可变The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009真核生物的端粒和端粒酶真核生物的端粒和端粒酶端粒端粒(telomere)： 真核生物染色体线性真核生物染色体线性DNA末端结构，含末端结构，含DNA串联重复序列，串联

40、重复序列，与染色体的稳定有关。与染色体的稳定有关。The Greek word “telos” means “end”.Institute of Genetic Engineering端端 粒粒v “端粒之于染色体，好像鞋带两头儿的小塑端粒之于染色体，好像鞋带两头儿的小塑料套和一根美丽鞋带的关系。如果没有小塑料套和一根美丽鞋带的关系。如果没有小塑料套，由几股绳编起来的鞋带儿就要散架料套，由几股绳编起来的鞋带儿就要散架（下图）；同理，如果没有端粒，你的染色（下图）；同理，如果没有端粒，你的染色体就劈叉儿、磨秃。你说这么重要的东西值体就劈叉儿、磨秃。你说这么重要的东西值不值一个诺贝尔奖？不值一个诺

41、贝尔奖？”-摘自摘自 “端粒，端粒，好好看住别丢了！好好看住别丢了！”（ .html）v 科学松鼠会：科学松鼠会： 端粒酶端粒酶(telomerase)：RNA-蛋白质复合物，蛋白质复合物，所含所含RNA与端粒的碱基序列部分互补。有反与端粒的碱基序列部分互补。有反转录酶活性，防止复制时端粒的缩短。转录酶活性，防止复制时端粒的缩短。组成：组成： 端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTERT) 端粒酶端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR or hTERC)端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(huma

42、n telomerase associated protein 1, hTP1)端粒酶作用机制端粒酶作用机制端粒酶作用机制端粒酶作用机制v在高等真核生物，端粒酶只在胚胎细胞及需要频繁在高等真核生物，端粒酶只在胚胎细胞及需要频繁增殖的细胞（比如免疫细胞）中有活性，而成年组增殖的细胞（比如免疫细胞）中有活性，而成年组织细胞中没有活性或活性极低。织细胞中没有活性或活性极低。v大约大约90%90%的肿瘤类型发现有端粒酶活性的肿瘤类型发现有端粒酶活性v端粒酶与细胞的永生性（端粒酶与细胞的永生性（immortalizationimmortalization）及肿）及肿瘤发生（瘤发生（tumorogenes

43、istumorogenesis）都密切相关。）都密切相关。v应用：应用： 针对端粒酶的肿瘤治疗，针对端粒酶的肿瘤治疗， 抗衰老抗衰老 4.1 4.1 逆逆 转转 录录(Reverse Transcription)(Reverse Transcription)v 逆转录：以逆转录：以RNARNA为模板生成为模板生成DNADNA的过程的过程v 逆转录酶（逆转录酶（Reverse transcriptase)Reverse transcriptase)Institute of Genetic Engineering逆转录酶逆转录酶1.1. DNADNA聚合酶活性聚合酶活性2.2. RNA depen

44、dentRNA dependent（依赖于（依赖于RNARNA的）的）3.3. DNA dependentDNA dependent（依赖于（依赖于DNADNA的）的）4.4. RNARNA酶酶H H活性（活性（ RNase H activity RNase H activity ）：）：水解水解DNA-RNADNA-RNA杂化双链中的杂化双链中的RNA RNA Institute of Genetic Engineering逆转录病毒细胞内的逆转录现象逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂杂化双链化双链RNA酶酶单链单链DNADNA逆转录酶逆转录酶双链

45、双链DNADNAInstitute of Genetic Engineering逆转录研究的意义逆转录研究的意义 for their discoveries concerning the interaction between tumour viruses and the genetic material of the cell Howard Martin Temin December 10, 1934 February 9, 1994 Nobel Prize in Physiology or Medicine 1975 David Baltimore Mar 7, 1938Renato Du

46、lbecco February 22, 1914试管内合成试管内合成cDNAcDNAcDNA(complementary DNA)cDNA(complementary DNA)： 以以mRNAmRNA为模板，经为模板，经逆转录合成的与逆转录合成的与mRNAmRNA碱基序列互补的碱基序列互补的DNADNA链。链。 分子生物学研究可应用分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，程目的基因的重要方法之一，此法称为此法称为cDNAcDNA法。法。 3-OH5-P55533335滚环复制滚环复制5 533 555533335Institute of G

47、enetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringdNTPDNA-pol D环复制环复制(D-loop replication) 是线粒体是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。的复制形式。 Institute of Genetic Engineering小小 结结DNA复制的特点：复制的特点： 半保留式，半不连续性，方向性半保留式，半不连续性，方向性 双向复制，复制叉，复制泡双向复制，复制叉，复制泡 DNA的复制过程中多种酶与蛋白因子的作用的复制过程中多种酶与蛋白因子的作用了解了解DNA复制过程：起始、延

48、伸、终止复制过程：起始、延伸、终止重要概念：重要概念： 半保留复制、复制子，冈崎片段，半保留复制、复制子，冈崎片段，端粒酶，逆转录端粒酶，逆转录Institute of Genetic EngineeringDNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复DNA Damage (Mutation) and Repair第五节第五节Institute of Genetic Engineering从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNA分分子上碱基的改变。子上碱基的改变。 突变突变(mutation):(mutation):可以通过复制而遗传可以通过复制而遗传的的DNADNA结构的任何永久

49、性改变结构的任何永久性改变, ,也称为也称为DNADNA损伤损伤(DNA damage)(DNA damage)Institute of Genetic Engineering一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础 Institute of Genetic Engineering二、引发突变的因素二、引发突变的因素物理因素物理因素 紫外线紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射

50、 UVInstitute of Genetic Engineering化学因素化学因素常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C- T - A - C - G -亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U- G - C - A - T -烷化剂烷化剂如：氮芥类，如：氮芥类，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失GInstitute of Genetic Engineering短期检测方法短期检测方法化学诱变剂的细菌检测法化学诱变剂的

51、细菌检测法(Ames)试验试验细胞遗传学检测法细胞遗传学检测法致畸试验致畸试验Ames试验：试验：实验组：实验组：his-菌株，不含菌株，不含his的培养基，待检物的培养基，待检物阴性对照组：阴性对照组：his-菌株，不含菌株，不含his的培养基，不的培养基，不含待检物含待检物“三致因子三致因子”(致突变、致畸、致癌致突变、致畸、致癌)的检出的检出Institute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic EngineeringInstitute of Genetic Engineering三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型错配错配 (m

52、ismatch)缺失缺失 (deletion)插入插入 (insertion)重排重排 (rearrangement)框移框移(frame-shift) Institute of Genetic EngineeringDNA分子上的碱基错配称点突变分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。 1. 转换转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。或嘧啶变嘌呤。 2. 颠换颠换（一）错配（一）错配镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫

53、血病人Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C 肽链肽链CTC GAG基因基因G G甲基化引起的点突变甲基化引起的点突变Institute of Genetic Engineering（二）缺失、插入和框移（二）缺失、插入和框移缺失：一个碱基或一段核苷酸链从缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上大分子上消失。消失。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到到DNA大

54、分子中间。大分子中间。缺失或插入都可导致框移突变缺失或插入都可导致框移突变 。Institute of Genetic Engineering缺失引起的移框突变缺失引起的移框突变v 5GCA GUA CAU GUC 3 5GCA GUA CAU GUC 3 v 丙丙 缬缬 组组 缬缬.v 缺失：缺失：G AG UAC AUG UCG AG UAC AUG UCv 谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝.框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 Institute of Genetic Engineering

55、（三）重排（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为分子内较大片段的交换，称为重组或重排。重组或重排。 Institute of Genetic Engineering由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型Institute of Genetic Engineering四、四、DNADNA损伤的修复损伤的修复修复修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿措施，使其是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。回复为原有的天然状态。光修复光修复(light repairing)切除修复切除修复(excision repairing)重组修复重

56、组修复(recombination repairing)SOS修复修复 修复的主要类型修复的主要类型Institute of Genetic Engineering（一）光修复（一）光修复光修复酶光修复酶(photolyase)(photolyase) UVUvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHP （二）切除修复（二）切除修复是细胞内最重要和是细胞内最重要和有效的修复机制，主要有效的修复机制，主要由由DNA-polDNA-pol和连接酶和连接酶完成。完成。DNA连接酶连接酶ATPE.coli的切除的切除修复机制修复机制Institute of Genetic Engineering切除修复切除修复v对多种对多种DNA损伤包括碱基